Der Mensch befindet sich in einer intensiven Wechselwirkung mit seiner Umwelt. Durch den Einsatz von Technik wird diese stark genutzt. Wichtige Ressourcen werden der Erde entnommen und Abfall- und Reststoffe an sie zurückgegeben. Aus dem Umgang mit der Umwelt gehen drei wesentliche Probleme hervor:
Ressourcenverbrauch
Zerstörung von Ökosystemen
Umweltverschmutzung
Diese Probleme sind bereits seit vielen Jahren erkannt und es werden unterschiedliche Maßnahmen zu deren Vermeidung oder Abschwächung eingeleitet, wie z. B. die Einführung des CO2-Handels in Europa. Durch diesen Handel sollen Unternehmen motiviert werden, die ökologischen Auswirkungen ihrer Produktion auf die Umwelt zu analysieren und ihre Produktionswege entsprechend umzustellen, wodurch Ressourcen geschont und CO2-Emissionen vermieden werden.
Um die Produktionswege umzustellen, bedarf es neuer Verfahren und Prozesse. Einen wichtigen Beitrag dazu kann die Verfahrenstechnik leisten.
Wie gehören Nachhaltigkeit und Verfahrenstechnik zusammen? Eine erste Bestimmung der beiden Begrifflichkeiten bildet den Einstieg in das Thema.
Der Begriff Nachhaltigkeit wird in Kap. 1.1 vertiefend aufgegriffen. Dieser fasst die drei Bereiche Ökologie, Ökonomie und Soziales zusammen. Ziel für die Zukunft ist es, dass die Unternehmen neben der Betrachtung der Ökonomie auch die Aspekte der Ökologie und vor allem des Sozialen in ihren Fokus nehmen. Durch die Möglichkeit der Erstellung eines Nachhaltigkeitsberichts erhalten Unternehmen z. B. eine Anleitung, worauf in diesem Zusammenhang zu achten ist. Viele große wie kleine Unternehmen in Deutschland sind diesen Weg bereits gegangen, z. B. Großunternehmen wie Audi oder Siemens und kleine Unternehmen wie Märkisches Landbrot sowie die Reederei Riedel. Es wären an dieser Stelle viele weitere Unternehmen zu nennen. Die Berichte sind oftmals im Internet herunterzuladen. Für viele Unternehmen ist die Ökologie ein zentraler Ausgangspunkt. Bemühungen zur Verbesserung der Produktionsprozesse hin zu umweltfreundlicheren Prozessen bestehen schon seit vielen Jahren. Aus diesem Grund werden in diesem Buch unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit die Schonung von Ressourcen und die Auswirkungen des Lebenszyklus eines Produktes oder eines Produktionsprozesses auf das Ökosystem zentral betrachtet.
Das Aufgabengebiet der Verfahrenstechnik beschäftigt sich mit der Stoffumwandlung, -konzentrierung und -abscheidung (s. Kap. 1.2). Dazu werden Prozesse aufgesetzt, in denen ein Stoffgemisch, z. B. durch Temperatur- oder Druckänderung, in einen neuen, anderen Stoff bzw. in ein Stoffgemisch umgewandelt wird. Es erfolgt eine Änderung von Stoffart, Stoffeigenschaft und Stoffzusammensetzung. Alle in diesen Prozessen eingesetzten technischen Systeme, wie z. B. Rührwerke oder Kessel, zählen zum Bereich der Verfahrenstechnik. Einen zukunftsorientierten Aspekt bildet die Nutzung von Mikroorganismen, die zur Herstellung neuer Stoffe oder als Ersatz bestehender Stoffe bzw. zum Abbau von Stoffen eingesetzt werden können. Auch der Einsatz nachwachsender Rohstoffe, nicht nur bei der Energieerzeugung, sondern auch in anderen Bereichen, wie der Kunststoffherstellung, ist von hoher Wichtigkeit. Damit setzt die Verfahrenstechnik genau an den Punkten Ressourcenschonung und Entwicklung alternativer Prozesse und Produkte an, die eine positivere Auswirkung auf das Ökosystem besitzen.
Durch die Verbindung der beiden Begrifflichkeiten zu „nachhaltiger Verfahrenstechnik“ wird ein Verständnis für die in diesem Buch erfolgte Eingrenzung auf biologische Prozesse geschaffen. Biologische Verfahren beruhen auf Prinzipien der Ökologie. Diese unterliegen einem Kreislauf. Alles und jedes ist wieder ein Ausgangsstoff für einen anderen Prozess. Abfall, so wie wir ihn kennen, gibt es in natürlichen ökologischen Prozessen nicht. Die Prozesse des Stoffauf- und -abbaus befinden sich in einem ökologischen Gleichgewicht. Durch den Einfluss des Menschen, insbesondere durch den Einsatz von Technik, kann dieses Gleichgewicht deutlich gestört sein.
Für eine Bewertung in Bezug auf Umweltfreundlichkeit, Verbesserung der Klimabilanz, Sicherung der ökonomischen Unternehmensbasis usw. stehen mehrere Ansätze zur Verfügung. Es wurden drei zentrale Bewertungsansätze ausgewählt, die nachfolgend vorgestellt werden. Dazu zählen die Ökobilanz, der Product Carbon Footprint (CO2-Fußabdruck – eine Ökobilanz auf Produktebene, welche die CO2-Emissionen und damit die Klimarelevanz der Produktion betrachtet) und der Nachhaltigkeitsbericht. Weiterhin werden Ansätze betrachtet, die die ökonomische Seite beleuchten, wie z. B. das Konzept der Lebenszykluskosten (Life Cycle Costing).
Um die verfahrenstechnischen Prozesse besser zu verstehen, sind einige Grundlagen wichtig, die in den ersten beiden Kapiteln vermittelt werden. Darauf folgt die Beschreibung konkreter Beispiele, in denen die Grundlagen Anwendung finden. Eine Diskussion zur Beantwortung der Frage, ob diese Prozesse nachhaltig sind, schließt die jeweiligen Kapitel ab.
Ziel des Buches ist die Vorstellung von Verfahren, in denen Mikroorganismen wichtiger Bestandteil sind. Die eigentliche Stoffwandlung oder Produktion von Stoffen ist das Ergebnis des Stoffwechsels von Mikroorganismen. Nicht Bestandteil sind gentechnische Veränderungen von Mikroorganismen, obwohl dies heutzutage ebenfalls eine wichtige Rolle spielt. Wenn es um den Aspekt der Nachhaltigkeit geht, ist der Einsatz nachwachsender Rohstoffe ebenfalls relevant. Nachwachsende Rohstoffe geben nur den Betrag an CO2 nach Beendigung des Lebenszyklus wieder frei, den sie zuvor beim Wachstum aufgenommen haben. Diese Bilanz ist somit CO2-neutral. Zudem können sie am Ende des Lebenszyklus durch Mikroorganismen abgebaut werden. Nachwachsende Rohstoffe stellen damit einen wichtigen Beitrag auf dem Weg der Verbesserung der Nachhaltigkeit von Prozessen dar. Prozesse, in denen diese Rohstoffe Eingang finden, werden ebenfalls berücksichtigt.
Der Begriff der Nachhaltigkeit stammt ursprünglich aus der Forstwirtschaft. Hans Carl von Carlowitz (1645 – 1714), Oberberghauptmann aus Freiberg (Sachsen), hat diesen Begriff geprägt. Er gilt als der Begründer des Prinzips der Nachhaltigkeit. Aufgrund einer drohenden Rohstoffkrise war es sein Ansinnen, das Bewusstsein der Menschen dahin zu lenken, dass unsere Ressourcen auf dem Planeten eine gewisse Begrenztheit haben. 1713 formulierte von Carlowitz erstmals in seinem Werk „Sylvicultura oeconomica“: Es solle immer nur so viel Holz geschlagen werden, wie durch planmäßige Aufforstung, durch Säen und Pflanzen nachwachsen könne (von Carlowitz 1713).
Dieser Ansatz wurde 1987 im so genannten Brundtland-Bericht wieder aufgegriffen und für eine breite Anwendung definiert. Dort heißt es, dass die jetzige Generation ihre Bedürfnisse befriedigen soll, ohne die Möglichkeiten zukünftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen (Hinrichsen 1987).
Dieser Gedankenansatz prägt das vorliegende Buch. Nicht nur, wenn es darum geht, fossile und andere Ressourcen einzusparen, sondern auch dann, wenn pflanzliche, nachwachsende Rohstoffe eingesetzt werden. Dies ist der Fall z. B. im Zusammenhang mit der Produktion von Biokunststoffen oder der Bereitstellung von Energie auf Basis nachwachsender Rohstoffe. Dies gibt dem Ausdruck der Nachhaltigkeit in diesem Buch eine zentrale Bedeutung: Die Produktion ist so ausgerichtet und die Produkte sind so gestaltet, dass sie Ressourcen schonen und Emissionen vermeiden und damit die Klimabilanz verbessern und die Basis für die Gestaltung des Lebens zukünftiger Generationen bilden.
Im deutschen Sprachgebrauch wird der Begriff Nachhaltigkeit überstrapaziert. Oft ist damit gemeint, dass Produkte, Zustände oder auch Prozesse langlebig bzw. mit längerer Wirkung gestaltet sein sollen. So werden z. B. im Buch „Nachhaltigkeit in Training und Beratung“ Methoden und Interventionen vorgestellt, wie Seminarverläufe nachhaltig gestaltet oder wie Trainingstheorien nachhaltiger vermittelt werden können (Keller 2013). Doch im sozialökologischen Kontext ist der Bogen weiter gespannt. Aus den Diskussionen der letzten Jahre, in denen wir merken, welche Auswirkungen unser Handeln hat, werden wir uns bewusst, dass ein Verhalten, wie wir es aus der Vergangenheit kennen, so nicht weitergeführt werden kann.
Im technischen Bereich hat man schon vor langer Zeit erkannt, dass ein Ressourcen-orientiertes Denken die Basis für wirtschaftlichen Erfolg ist. Daraus haben sich in den letzten Jahren drei zentrale Gedankenmodelle etabliert. Neuere Betrachtungen sprechen in diesem Zusammenhang von:
„cradle to grave“ („von der Wiege bis zur Bahre“). Das Modell geht davon aus, dass im Rahmen der Wertschöpfungskette die Einsatz- oder Ausgangsstoffe bis zu ihrer Entsorgung gelenkt und geleitet werden sollen. Somit wird der gesamte Lebensweg eines Produktes von den Vorketten des Anbaus und der Förderung der Rohstoffe über deren Verarbeitung und den nachfolgenden Einsatz in der Produktion mit anschließendem Transport zum Vertrieb/Großhandel über den Endabnehmer bis zur Produktentsorgung, z. B. auf einer Deponie oder in einer Müllverbrennungsanlage, betrachtet.
„cradle to gate“ („von der Wiege bis zum Tor“). Dies grenzt den Ansatz „cradle to grave“ dahingehend ein, dass der...
